Бутан - удивительное вещество, которое широко используется в быту и промышленности. Давайте разберемся, откуда берется этот газ, как он устроен на молекулярном уровне и чем может быть полезен.
Происхождение бутана
Бутан встречается в природе и получается искусственно. Природными источниками бутана являются:
- Природный газ из газовых и газоконденсатных месторождений
- Нефть и нефтепродукты
- Каменный уголь
Кроме того, бутан образуется в процессе нефтехимического крекинга - разрушения крупных молекул углеводородов нефти. Еще один способ получения - переработка сланцевой нефти.
Химический состав и строение
По химическому строению бутан относится к насыщенным углеводородам класса алканов. Его молекула состоит из 4 атомов углерода и 10 атомов водорода. Химическая формула бутана: C4H10.
Существует два структурных изомера бутана:
- н-бутан CH3-CH2-CH2-CH3
- изобутан (CH3)3CH
В молекулах бутана атомы углерода связаны одинарными ковалентными связями, образуя зигзагообразную цепь. Это и определяет его физико-химические свойства.
Физические и химические свойства
Бутан - бесцветный газ без запаха, плохо растворим в воде. Он существует в трех агрегатных состояниях:
- Газ при температуре выше 0°C
- Жидкость в интервале от -0.5°C до 0°C
- Твердое вещество ниже -0.5°C
Жидкий бутан хорошо смешивается с такими органическими веществами, как бензол, метанол, диэтиловый эфир.
Как и другие углеводороды, бутан легковоспламеним и при определенной концентрации в смеси с воздухом взрывоопасен. Молекулы бутана относительно инертны по отношению к химическим реагентам. Однако этот газ оказывает наркотическое и токсичное воздействие на живые организмы.
Токсическое действие
Бутан оказывает наркотическое и токсическое воздействие на центральную нервную систему и органы дыхания человека и животных. При вдыхании газа в высоких концентрациях наблюдаются следующие симптомы:
- Головная боль, головокружение
- Тошнота, рвота
- Учащенное сердцебиение
- Потеря координации и сознания
- Отек легких
Вещество бутан при длительном вдыхании может вызвать летальный исход из-за поражения жизненно важных органов.
Химические реакции
Химически бутан довольно инертен, как и другие представители ряда алканов. Однако в определенных условиях он может вступать в реакции окисления, галогенирования, изомеризации. Рассмотрим основные превращения этого газа.
Радикальное галогенирование
Под действием галогенов (хлора, брома) при нагревании или на свету бутан вступает в радикальную реакцию замещения атомов водорода в молекуле. Например:
CH3-CH2-CH2-CH3 + Br2 → CH3-CHBr-CH2-CH3 + HBr
При этом образуется смесь галогенпроизводных бутана с разной степенью замещения.
Неполное окисление
При горении в условиях недостатка кислорода бутан не полностью окисляется до углекислого газа и воды. В этом случае образуются оксид углерода, сажа или их смеси:
C4H10 + 5O2 → 4CO + 5H2O
Такой процесс характерен для числа элементов бытовых газовых плит, где подача воздуха ограничена конструкцией горелок.
Изомеризация
Под действием катализаторов при нагревании н-бутан может превращаться в более разветвленный изобутан:
CH3-CH2-CH2-CH3 → (CH3)3CH
Этот процесс называется изомеризацией и характерен для веществ, являющихся гомологами пропан и бутан.
Каталитическое дегидрирование
Еще одна важная реакция, в которую вступает бутан - дегидрирование. Это процесс отщепления атомов водорода от молекулы углеводорода. Дегидрирование бутана протекает на поверхности таких катализаторов, как никель, платина, оксиды хрома и железа, при высокой температуре:
CH3-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH=CH-CH3 + H2
В результате образуется бутилен - ненасыщенный углеводород, используемый в органическом синтезе.
Пиролиз
При нагревании без доступа воздуха (пиролизе) бутан может распадаться на более простые углеводороды:
2(CH3-CH2-CH2-CH3) → 3CH3-CH=CH2 + 2CH4
В данном примере при температуре около 500°C образуется смесь пропилена и метана.
Применение бутана
Благодаря своим физико-химическим характеристикам бутан находит применение:
- В качестве горючего газа для бытовых и промышленных нужд
- Для получения ненасыщенных углеводородов в нефтехимии
- Как хладагент в холодильном оборудовании
Безопасность
Поскольку бутан относится к горючим газам, при его производстве, хранении и использовании необходим строгий контроль за концентрацией в воздухе. Это позволяет избежать взрывов и отравлений персонала.
Транспортировка и хранение
Для транспортировки и хранения бутан сжижают при невысоком давлении. Это позволяет уменьшить объем газа в 240-270 раз по сравнению с объемом в газообразном состоянии.
Сжиженный бутан обычно находится в стальных баллонах под давлением 1,6-2 МПа или в резервуарах промышленных хранилищ при атмосферном давлении и температуре около 0°C.
Токсикология
При попадании в организм человека бутан действует как наркотическое вещество, поражая центральную нервную систему и вызывая опьянение различной степени в зависимости от концентрации.
При концентрации 20 000 мг/м3 наступает потеря сознания, а при 40 000 мг/м3 возможен летальный исход от паралича дыхательного центра.
Экологические аспекты
Бутан относится к парниковым газам, способствующим усилению парникового эффекта в атмосфере Земли. Однако его вклад значительно ниже, чем у метана и диоксида углерода.
